Composants haute tension pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau

Condensateurs et diodes haute tension pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau

Abstract

Le stockage d'énergie à grande échelle est l'application haute tension qui connaît la croissance la plus rapide dans le domaine de l'électronique de puissance, et la fiabilité de ses convertisseurs dépend de celle du réseau passif qui les entoure. Cet article explique le rôle du condensateur du bus CC, du circuit d'amortissement, de la protection et du diviseur de tension, les contraintes liées aux cycles continus et comment sélectionner les condensateurs, résistances et diodes haute tension pour les installations de stockage fonctionnant 24 h/24 et 7 j/7.

1. Contexte d'application : convertisseurs à toutes les échelles

Une centrale de stockage se charge et se décharge grâce à des convertisseurs bidirectionnels. Chaque convertisseur possède un bus CC qui transporte la totalité de la puissance de la centrale, et le condensateur du bus maintient la tension stable pendant la commutation de l'onduleur.

Le condensateur du bus CC absorbe l'ondulation de la fréquence de commutation et fournit l'énergie instantanée nécessaire à l'onduleur à chaque impulsion. C'est le composant passif le plus sollicité du convertisseur, et celui qui est le plus souvent sous-dimensionné.

2. Exigences techniques

2.1 Courant d'ondulation du bus. Le condensateur de bus supporte l'ondulation de l'onduleur ; son intensité nominale détermine sa température et sa durée de vie :

2.2 Stabilité de la tension du bus. Le bus doit maintenir sa tension lors des variations de charge ; la valeur du condensateur détermine la chute de tension :

2.3 Protection et détection. Les perturbations transitoires dues aux événements sur le réseau doivent être écrêtées et la tension du bus doit être mesurée avec précision :

2.4 Conformité au code de grille. Une centrale de stockage doit pouvoir traverser les événements du réseau sans se déconnecter, et ses harmoniques doivent rester dans les limites du code de réseau :

L'ondulation sur le bus CC se répercute directement sur les harmoniques du réseau CA ; un condensateur de bus qui se décharge sous polarisation augmente le taux de distorsion harmonique (THD) et peut rendre l'installation non conforme. Le filtre de bus n'est pas un simple détail pour améliorer la qualité de l'énergie : c'est une exigence du code de réseau, avec une valeur mesurable.

Fig. 1 — Convertisseur de stockage : filtre de bus CC, onduleur avec amortisseur, connexion au réseau.

3. Points faibles des ingénieurs (retours d'expérience terrain)

4. Comparaison des composants : rapport cyclique du condensateur

5. Sélection et solution CVC

6. Étude de cas en ingénierie

L'installation en question est un site de stockage d'énergie par batterie de 20 MW, 1.5 kV, fonctionnant par cycles de deux fois par jour. Historique : remplacement des condensateurs du bus CC tous les 12 mois, cinq défaillances d'IGBT et neuf déclenchements intempestifs par an. La cause première était l'utilisation de condensateurs de bus dimensionnés uniquement pour la tension et d'un diviseur dont la valeur dérivait avec la température. La mise à niveau a consisté en l'installation de condensateurs de bus N4700 dimensionnés pour le courant, de limiteurs de tension haute vitesse rapides, de circuits d'amortissement accordés et d'un diviseur de tension haute vitesse à faible coefficient de température.

Deux constats se sont avérés plus importants que le simple remplacement du composant. Premièrement, les déclenchements intempestifs engendraient des coûts réels : chacun d’eux entraînait une interruption de la recharge et une pénalité du gestionnaire de réseau. Ces déclenchements étaient tous liés à un diviseur dont la valeur variait de 3 % entre l’hiver et l’été. Le réseau à faible TCR a permis d’éliminer toute une catégorie d’alarmes fantômes. Deuxièmement, la capacité du condensateur de bus était réduite par la courbe de tension de la batterie : à pleine charge, la tension du bus atteignait son maximum, précisément là où l’ancien condensateur perdait le plus de valeur sous l’effet de la polarisation. Le dimensionnement du composant à son point le plus défavorable, au lieu de sa valeur nominale, a doublé la marge utile. Les installations de stockage fonctionnent 24 h/24 et 7 j/7 ; ces faibles marges sont donc ce qui distingue une batterie d’une durée de vie de cinq ans d’une batterie d’une durée de vie de douze mois, et les services comptables des installations sont les premiers à le constater.

7. Considérations de conception

• La vie à courant continu : La durée de vie du condensateur de bus est déterminée par son courant d'ondulation et sa température ; évaluez-la en fonction du profil de charge/décharge le plus défavorable, et non de la moyenne.
• Endurance à vélo : Les installations de stockage fonctionnent quotidiennement pendant 20 ans — les composants du bus doivent être dimensionnés pour ce cycle, et non pour un seul point de conception.
• Réglage du snubber et du clamp : Les événements du réseau et les transitoires de commutation atteignent les modules IGBT ; réglez le circuit d’amortissement et le dispositif de limitation d’avalanche sur la forme d’onde mesurée.
• Stabilité du séparateur : Un séparateur de bus qui dérive avec la température provoque des déclenchements intempestifs et des pertes de revenus ; les réseaux à faible TCR conservent la tension de détection pendant des années.
• Décharge de sécurité : Le bus CC contient une énergie mortelle ; les résistances de décharge doivent la dissiper dans la fenêtre de sécurité de service.
• Conception thermique: La température du boîtier du condensateur de bus est un indicateur de durée de vie ; concevez le flux d’air de manière à ce que l’unité la plus chaude reste à l’intérieur de sa plage de température nominale.

8. Références

• RW Erickson et D. Maksimovic, Fondements de l'électronique de puissance, 3e éd., Springer, 2020.
• N. Mohan, TM Undeland et WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd., Wiley, 2003.
• IEEE Std 519-2014, Pratiques et exigences recommandées par l'IEEE pour le contrôle des harmoniques dans les systèmes d'énergie électrique.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• Fiche technique du condensateur à disque céramique haute tension HVC, Condensateur HVC 2024.
• Fiche technique de la résistance haute tension HVC de type plat, condensateur HVC, 2024.

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